CN110707828A - 无线充电接收装置、无线充电的实现方法和移动终端 - Google Patents

无线充电接收装置、无线充电的实现方法和移动终端 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种无线充电接收装置、无线充电的实现方法和移动终端，其中，无线充电接收装置，包括无线充电转换模块和充电管理模块、电压合路模块和至少两个无线充电接收线圈，所述至少两个无线充电接收线圈用于与无线充电发射装置中的无线充电发射线圈相耦合，输出交流电磁感应信号至所述电压合路模块；所述电压合路模块用于将所述至少两个无线充电接收线圈输出的交流电磁感应信号进行电压叠加，将叠加后的交流电信号输出至无线充电转换模块；所述无线充电转换模块用于将接收到的交流电信号转换为直流电信号，输出至所述充电管理模块；所述充电管理模块用于使用接收到的直流电信号为电池充电。

Description

无线充电接收装置、无线充电的实现方法和移动终端
技术领域
本申请涉及充电领域，尤指一种无线充电接收装置、无线充电的实现方法和移动终端。
背景技术
移动终端无线充电技术是通过无线方式为移动终端充电，通常可包括电磁感应方式和磁共振方式，其中以电磁感应方式较为普遍。
对于电磁感应方式的无线充电技术，目前以接收端功率大于5W，小于15W的中等功率无线充电应用较多，但是在实际应用中会伴随着严重的发热情况出现，例如，在对某品牌7.5W快充进行测试时，充电只能维持8～10分钟，此时手机的温度已经达到60℃以上。
在对5W以下的无线充电产品测试时也发现，当输出电流较大时，发热同样非常严重，例如输出电流为1A，一小时左右充电器表面已经到56度，电池传感器的温度也已经达到50度。
移动终端无线充电时发热严重，使得一方面移动终端从充电面板上拿下来后非常烫，影响用户体验；另一方面长时间充电可能引起电池鼓包，影响电池寿命。
目前解决无线充电快充的发热问题的通常技术是在无线充电接收线圈和电池之间放置一个“隔金属”的装置，阻挡磁力线，避免磁力线到达电池内。使用一个高导磁率的铁氧体来做这个“隔金属”的装置，通常采用的是锰锌铁氧体，因为它具有较高的初始磁导率。但是因为锰锌铁氧体的电阻率较小，所以依然会在铁氧体中产生涡流，造成铁氧体发热。这种方法并不能从根本上避免无线充电快充发热的情况。
发明内容
本发明实施例提供了一种无线充电接收装置、无线充电的实现方法和移动终端，以实现低发热无线充电。
本发明实施例提供了一种无线充电接收装置，包括相连的无线充电转换模块和充电管理模块，还包括电压合路模块和至少两个无线充电接收线圈，其中
所述至少两个无线充电接收线圈分别与所述电压合路模块相连，用于与无线充电发射装置中的无线充电发射线圈相耦合，输出交流电磁感应信号至所述电压合路模块；
所述电压合路模块与所述无线充电转换模块相连，用于将所述至少两个无线充电接收线圈输出的交流电磁感应信号进行电压叠加，将叠加后的交流电信号输出至无线充电转换模块；
所述无线充电转换模块用于将接收到的交流电信号转换为直流电信号，输出至所述充电管理模块；
所述充电管理模块用于使用接收到的直流电信号为电池充电。
本发明实施例还提供一种无线充电的实现方法，包括
将至少两个无线充电接收线圈输出的交流电磁感应信号进行电压叠加；
将叠加后得到的交流电信号转换为直流电信号；
使用所述直流电信号为电池充电。
本发明实施例还提供一种移动终端，包括上述的无线充电接收装置。
本发明实施例的无线充电接收装置，包括相连的无线充电转换模块和充电管理模块，还包括电压合路模块和至少两个无线充电接收线圈，所述至少两个无线充电接收线圈分别与所述电压合路模块相连，用于与无线充电发射装置中的无线充电发射线圈相耦合，输出交流电磁感应信号至所述电压合路模块；所述电压合路模块与所述无线充电转换模块相连，用于将所述至少两个无线充电接收线圈输出的交流电磁感应信号进行电压叠加，将叠加后的交流电信号输出至无线充电转换模块；所述无线充电转换模块用于将接收到的交流电信号转换为直流电信号，输出至所述充电管理模块；所述充电管理模块用于使用接收到的直流电信号为电池充电。通过本发明实施例，可以改善降低目前无线充电快充中存在的严重的发热情况，实现低发热无线充电。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为单线圈无线充电方案的示意图；
图2为本发明实施例的多线圈方案的示意图；
图3为本发明实施例的电压合路模块的组成示意图；
图4为本发明一实施例的无线充电接收装置的示意图；
图5(a)为无线充电接收线圈为单线圈或重合放置的示意图；
图5(b)为无线充电接收线圈为双线圈且错开放置的示意图；
图6为耦合因数随接收线圈移位距离变化图；
图7为本发明另一实施例的无线充电接收装置的示意图；
图8(a)为双线圈错开方案中几何中心与无线充电发射线圈中心重合的示意图；
图8(b)为双线圈错开方案中移位的示意图；
图9为本发明实施例的无线充电的实现方法的流程图；
图10为本发明应用实例的无线充电的实现方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
目前无线充电方案通常采用接收端为单线圈方案，其位于电池中心位置，如图1所示，其中，无线充电发射装置包括发射模块11和无线充电发射线圈12，其中，发射模块11接收电源供电，输出电信号至无线充电发射线圈12；无线充电接收装置包括无线充电接收线圈21、无线充电转换模块22和充电管理模块23，其中，无线充电接收线圈21与无线充电发射线圈12相耦合，输出交流电磁感应信号至无线充电转换模块22，无线充电转换模块22将接收到的交流电信号转换为直流电信号，输出至所述充电管理模块23，充电管理模块23使用接收到的直流电信号为电池充电。
图1这种单线圈方案在接收线圈端的发热较为严重，而且其线圈对移位程度较为敏感，一旦错位一定程度便会出现不能充电的现象。
本发明实施例采用至少两个无线充电接收线圈，以降低发热。如图2所示，本发明实施例的无线充电接收装置，包括相连的无线充电转换模块22和充电管理模块23，还包括电压合路模块24和至少两个无线充电接收线圈21，其中
所述至少两个无线充电接收线圈21分别与所述电压合路模块24相连，用于与无线充电发射装置中的无线充电发射线圈12相耦合，输出交流电磁感应信号至所述电压合路模块24；
所述电压合路模块24与所述无线充电转换模块22相连，用于将所述至少两个无线充电接收线圈21输出的交流电磁感应信号进行电压叠加，将叠加后的交流电信号输出至无线充电转换模块22；
所述无线充电转换模块22用于将接收到的交流电信号转换为直流电信号，输出至所述充电管理模块23；
所述充电管理模块23用于使用接收到的直流电信号为电池充电。
本发明实施例中，采用多个无线充电接收线圈的方式，相比单线圈方案，每个无线充电接收线圈匝数减少，每个线圈中产生的电流相应地减少，使得线圈发热温度降低。
下面以无线充电接收线圈采用双线圈为例进行说明。
无线充电发射装置中的无线充电发射线圈12为单线圈，它的匝数为Na，电源给无线充电发射线圈12提供一个交流电流信号为：
其中，Ia为振幅，w为角频率，t为时间值，φ为初相位。
此无线充电发射线圈12在空间内产生的磁场强度为：
B(r)＝h(r)ia (2)
其中，h(r)为与空间某点与发射线圈中心之间的距离函数r有关的系数。
假定原先采用的单线圈接收方案中其匝数为Nb，而在本发明实施例中接收端采用两个线圈，每个线圈的匝数减半，为
Figure BDA0001724467850000052
但面积和阻抗保持不变，此时交变电流在空间产生的变化的磁场在此无线充电接收线圈中产生的感应电压为，
Figure BDA0001724467850000053
其中k(rb)为与接收线圈和发射线圈圆心之间的距离函数rb相关的一个系数。
在两个接收线圈上产生的感应电压分别为ub1和ub2，由于两个感应电压的正弦波的频率和相位相同，因此其通过电压合路模块后的电压为，
Figure BDA0001724467850000054
因此当两个线圈重合放置时，其产生的感应电压为，
Figure BDA0001724467850000055
此电压与单线圈方案时的电压相同，但每个单线圈产生的电压为单线圈方案时的电压的一半，而每个线圈的阻抗保持不变，因此在每个线圈中产生的电流为原始电流的一半。所以每个线圈产生的热量
Figure BDA0001724467850000056
整体产生的热量为原来的一半。因此将无线充电接收装置采用两个线圈，并将其重合放置时，可明显降低移动终端的发热。
其中，无线充电接收线圈21可以铜线或FPC(Flexible Printed Circuit Board，柔性电路板)绕制，通过和无线充电发射装置(例如无线充电座)耦合，接收无线充电发射装置产生的高频电磁波。
在本发明实施例中，所述电压合路模块可包括：加法运算电路。
由于多个无线充电接收线圈21产生的感应电压的频率和相位均相同，在电压合路模块中可以采用加法运算电路将多个线圈产生的感应电压相加得到一个输出电压。
如图3所示，无线充电接收线圈采用双线圈为例，该加法运算电路可以包括集成运放A和第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3和第四电阻RF。将双线圈的产生的两个感应电压u1和u2加在上述集成运放的同相端，构成如图3的同相输入加法电路，经过上述电路后可以得到输出端的电压为：
Figure BDA0001724467850000061
其中，
Figure BDA0001724467850000062
在输出端产生的输出电压uo通过无线充电转换模块22转换为直流电信号，无线充电转换模块22的输出通常为5V或9V或12V直流电压信号。
所述充电管理模块23使用无线充电转换模块22输出的直流电信号为电池充电。
在本发明实施例中，所述至少两个无线充电接收线圈21为重叠放置，所述至少两个无线充电接收线圈的中轴线重合或错开。
线充电接收线圈21在距离无线充电发射线圈12中心位置较远时，其转换效率会比较低，要想保持线充电接收线圈21接收到的功率不变，无线充电发射装置的功率便会提高到很大，从而使得发热较为严重，为了防止这种情况发生，在一实施例中，本发明实施例的无线充电接收装置还可包括依次相连的检测模块、决策模块和基带处理器。
如图4所示，在所述至少两个无线充电接收线圈21的中轴线重合的情况下，所述检测模块25与所述至少两个无线充电接收线圈21中的一个相连，用于检测相连的无线充电接收线圈21的磁感应强度；
所述决策模块26用于根据所述检测模块25检测到的磁感应强度确定达到截止充电标准，通知所述基带处理器27停止无线充电；
所述基带处理器27与所述电压合路模块24相连，用于根据所述决策模块26的通知，控制所述电压合路模块24停止无线充电。
其中，由于所述至少两个无线充电接收线圈重合放置，所以可以只检测其中之一的磁感应强度。
所述检测模块25可以采用霍尔器件。测量磁感应强度。
在一实施例中，所述决策模块26用于根据所述磁感应强度和无线充电接收线圈的面积确定无线充电接收线圈21通过的磁通量最大值，在所述磁通量最大值小于第一阈值时，确定达到截止充电标准。
其中，无线充电接收线圈21通过的磁通量最大值可以根据磁感应强度乘以无线充电接收线圈21的面积得到。
所述第一阈值为预设值，可以根据实际的发热和功率需求进行设置。
所述决策模块26可以实时判断无线充电接收线圈21通过的磁通量最大值，在所述磁通量最大值小于第一阈值时，通知所述基带处理器27停止无线充电，在所述磁通量最大值大于或等于第一阈值时，通知所述基带处理器27进行无线充电。
当双线圈重合时也存在一个和单线圈方案相同的情况，就是它们采用了紧密耦合的线圈，所以使用过程中对线圈的错位程度比较敏感，一旦错位便会出现充不了电的现象，给用户体验带来一定的影响。因此可采取将双线圈错开的方式进行放置。
如图5(a)所示，为无线充电接收线圈为单线圈或重合放置的示意图，采用了紧密耦合的线圈。
图5(b)所示，为无线充电接收线圈为双线圈且错开放置的示意图，其中，两个无线充电接收线圈的中轴线错开。在本发明实施例中，两个无线充电接收线圈的中轴线错开的距离可以小于或等于20mm。例如，可以是10mm～20mm之间。
如果无线充电接收线圈和无线充电发射线圈相隔一定的距离，那么发射线圈产生的磁通量仅有一部分能到达接收线圈，达到电能传输的目的。接收线圈接收的磁通量越多，表明两个线圈之间的耦合程度越高。耦合的级别用耦合因数k表示。耦合因数与两个线圈之间的距离和它们的相对大小有关，还与线圈的形状和它们之间的角度有关。如果最初线圈的中轴是对齐的，任何移位都可能导致k值减小。
耦合因数的定义表示为：
Figure BDA0001724467850000081
它是由耦合感应器的相关普通方程组变形而来：
Figure BDA0001724467850000082
Figure BDA0001724467850000083
其中，U1和U2表示通过两个线圈所受的电压，I1和I2表示流入两个线圈的电流，L1和L2为两个线圈的自感系数，L12为两个耦合线圈的互感系数，而ω＝2πf则为角频率。
耦合因数可由关于开环电压u的现有等式计算得出：
Figure BDA0001724467850000084
如果两个线圈的自感值相等，那么开环电压u与k相等。
图6是以直径为30毫米的平面线圈为例说明移位的影响。该图表示的是两个平行线圈在水平方向不同的错位距离上所得到的耦合因数曲线图。
由图6可以看出，线圈移位距离越大，耦合因数越低，相应的传输效率越低。
在线圈错开方案中，所述至少两个无线充电接收线圈的磁通量并不一样，对所述至少两个无线充电接收线圈的磁通量同时检测计算，因此采用多个检测模块，如图7所示，包括至少两个检测模块25、决策模块26和基带处理器27，其中
所述检测模块25与所述无线充电接收线圈21一一对应，每个检测模块25与一无线充电接收线圈21相连，用于检测相连的无线充电接收线圈21的磁感应强度；
所述决策模块26用于根据所述检测模块25检测到的磁感应强度确定达到截止充电标准，通知所述基带处理器27停止无线充电；
所述基带处理器27与所述电压合路模块24相连，用于根据所述决策模块26的通知，控制所述电压合路模块27停止无线充电。
在一实施例中，所述决策模块26用于根据每个检测模块25检测到的磁感应强度和每个无线充电接收线圈21的面积确定每个无线充电接收线圈21通过的磁通量最大值，在每个无线充电接收线圈21通过的磁通量最大值相加小于第二阈值时，确定达到截止充电标准。
其中，所述第二阈值为预设值，可以根据实际的发热和功率需求进行设置。
相应地，在在每个无线充电接收线圈21通过的磁通量最大值相加大于或等于第二阈值时，通知所述基带处理器27进行无线充电。
以无线充电接收线圈采用双线圈为例，由于两个线圈错开时，如果线圈匝数与重合时相同，其产生的感应电压会比重合时低，此时充电效率会降低，因此在本发明实施例中，为了保证两个线圈错开方案中，其几何中心在正中心时，如图8(a)所示，其产生的感应电压与重合时相同，在双线圈重合方案基础上增加线圈匝数，从而保证其产生的感应电压相同，由于此时其电阻保持不变，每个线圈产生的感应电压也不变，所以与双线圈重合方案相比，其产生的热量也不变。当移动终端移位一定距离后，如图8(b)所示，由于双线圈中的一个线圈的磁通量会增加，另一个线圈的磁通量会降低，而双线圈重合方案的磁通量也会降低，因此可以通过理论比较移动终端移位后两种方案的磁通量大小，如下是验证过程：
由于在距离发射线圈中心较近距离时，通过每个接收线圈中的单匝线圈的磁通量Φ与移位距离d近似为线性关系，假定其关系式为，
Φ＝-k|d|+m (11)
其中，m为一常数。
由于目前无线充电在移位5mm时就会出现不充电的现象，因此先以双线圈错开的距离为10mm为例进行分析，假定单线圈方案的线圈匝数为N，则双线圈重合方案的线圈匝数为N/2，同时假定错开方案的每个线圈的匝数为Nd，为了保证在中心位置时，两种方案通过的磁通量相同，即Φ1＝Φ2则有以下关系成立，
Figure BDA0001724467850000101
因此可以求得：
Figure BDA0001724467850000102
当移动终端向右移位距离为d1时，双线圈重合方案通过的磁通量为
Figure BDA0001724467850000103
双线圈错开方案通过的磁通量为
Φ2＝Nd×(-k|-5+d1|+m)+Nd×(-k|5+d1|+m) (15)
当移位距离d1<5mm时，式15可以化简为，
Figure BDA0001724467850000104
此时很明显，Φ2＞Φ1。
当移位距离d1>5mm时，式15可以化简为，
Figure BDA0001724467850000105
将式17进一步分离可得，
Figure BDA0001724467850000106
当线圈移位距离较短时，两个线圈产生的磁通量皆为正值，因此
Figure BDA0001724467850000107
所以Φ2＞Φ1。
通过以上理论可以看出，当移位程度距离发射线圈中心较近时，双线圈错开方案的磁通量比重合方案大，因此双线圈错开方案的可充电范围较重合方案大，即此错开方案可以改善移位引起的不充电现象。
综上所述，线圈重合方案通过将其线圈匝数较少，可以明显降低接收端的发热，但它容易出现移位不充电的现象；错开方案通过选取适当的每个线圈的匝数，保证其几何中心位于中心位置时，其产生的感应电压不变的情况下，改善了单线圈移位造成的不充电现象。
相应的，如图9所示，本发明实施例的无线充电的实现方法，包括
步骤301，将至少两个无线充电接收线圈输出的交流电磁感应信号进行电压叠加；
步骤302，将叠加后得到的交流电信号转换为直流电信号；
步骤303，使用所述直流电信号为电池充电。
在一实施例中，所述方法还包括：
检测所述至少两个无线充电接收线圈中的一个或多个产生的磁感应强度；
根据所述磁感应强度确定达到截止充电标准，停止无线充电。
其中，可以根据所述磁感应强度和无线充电接收线圈的面积确定无线充电接收线圈通过的磁通量最大值，在所述磁通量最大值小于第一阈值(无线充电接收线圈重合的情况)，或每个无线充电接收线圈通过的磁通量最大值相加小于第二阈值(无线充电接收线圈错开的情况)时，确定达到截止充电标准。
本发明实施例中，在达到截止充电标准时，停止无线充电，可以有效防止由于线充电接收线圈在距离无线充电发射线圈中心位置较远时，无线充电发射装置的发射功率较大导致的发热严重的情况出现。
下面以一个应用实例进行说明。
如图10所示，充电过程可包括如下步骤：
步骤401，进行无线充电检测；例如，检测是否连接无线充电器；默认的情况下，采用USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)充电模式；
步骤402，判断是否需要进行无线充电，如果是，执行步骤403，如果否，执行步骤407；
步骤403，检测磁感应强度；
步骤404，确定最大磁通量，进行停止充电检测；
其中，在线圈重合方案中，可以只计算一个接收线圈的最大磁通量，对于错开方案，计算每个接收线圈的最大磁通量并相加；
步骤405，判断是否停止充电，若是，则基带处理器通知电压合路模块停止无线充电，返回执行步骤403；若否，执行步骤406；
步骤406，电压合路模块实现电压合路，经过交直流转换，为电池充电，返回执行步骤403；
步骤407，采用USB进行充电。
本发明实施例还提供一种移动终端，所述移动终端包括上述的移动终端天线。
移动终端可以以各种形式来实施。例如，本发明实施例中描述的移动终端可以包括诸如移动电话、智能电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(Personal DigitalAssistant，个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(Portable Media Player，便携式多媒体播放器)、导航装置等等的移动终端。然而，本领域技术人员将理解的是，除了特别用于移动目的的元件之外，根据本发明的实施方式的构造也能够应用于固定类型的终端。以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种无线充电接收装置，包括相连的无线充电转换模块和充电管理模块，其特征在于，还包括电压合路模块和至少两个无线充电接收线圈，其中
所述至少两个无线充电接收线圈分别与所述电压合路模块相连，用于与无线充电发射装置中的无线充电发射线圈相耦合，输出交流电磁感应信号至所述电压合路模块；
所述电压合路模块与所述无线充电转换模块相连，用于将所述至少两个无线充电接收线圈输出的交流电磁感应信号进行电压叠加，将叠加后的交流电信号输出至无线充电转换模块；
所述无线充电转换模块用于将接收到的交流电信号转换为直流电信号，输出至所述充电管理模块；
所述充电管理模块用于使用接收到的直流电信号为电池充电。
2.如权利要求1所述的无线充电接收装置，其特征在于，
所述至少两个无线充电接收线圈为重叠放置，所述至少两个无线充电接收线圈的中轴线重合。
3.如权利要求2所述的无线充电接收装置，其特征在于，还包括：依次相连的检测模块、决策模块和基带处理器，其中
所述检测模块与所述至少两个无线充电接收线圈中的一个相连，用于检测相连的无线充电接收线圈的磁感应强度；
所述决策模块用于根据所述检测模块检测到的磁感应强度确定达到截止充电标准，通知所述基带处理器停止无线充电；
所述基带处理器与所述电压合路模块相连，用于根据所述决策模块的通知，控制所述电压合路模块停止无线充电。
4.如权利要求3所述的无线充电接收装置，其特征在于，
所述决策模块用于根据所述磁感应强度和无线充电接收线圈的面积确定无线充电接收线圈通过的磁通量最大值，在所述磁通量最大值小于第一阈值时，确定达到截止充电标准。
5.如权利要求1所述的无线充电接收装置，其特征在于，
所述至少两个无线充电接收线圈为重叠放置，所述至少两个无线充电接收线圈的中轴线错开。
6.如权利要求5所述的无线充电接收装置，其特征在于，还包括：依次相连的至少两个检测模块、决策模块和基带处理器，其中
所述检测模块与所述无线充电接收线圈一一对应，每个检测模块与一无线充电接收线圈相连，用于检测相连的无线充电接收线圈的磁感应强度；
所述决策模块用于根据所述检测模块检测到的磁感应强度确定达到截止充电标准，通知所述基带处理器停止无线充电；
所述基带处理器与所述电压合路模块相连，用于根据所述决策模块的通知，控制所述电压合路模块停止无线充电。
7.如权利要求6所述的无线充电接收装置，其特征在于，
所述决策模块用于根据每个检测模块检测到的磁感应强度和每个无线充电接收线圈的面积确定每个无线充电接收线圈通过的磁通量最大值，在每个无线充电接收线圈通过的磁通量最大值相加小于第二阈值时，确定达到截止充电标准。
8.一种无线充电的实现方法，包括
将至少两个无线充电接收线圈输出的交流电磁感应信号进行电压叠加；
将叠加后得到的交流电信号转换为直流电信号；
使用所述直流电信号为电池充电。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
检测所述至少两个无线充电接收线圈中的一个或多个产生的磁感应强度；
根据所述磁感应强度确定达到截止充电标准，停止无线充电。
10.一种移动终端，其特征在于，包括如权利要求1～7中任意一项所述的无线充电接收装置。
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